DE2825794C2

DE2825794C2 - Abschaltbarer Thyristor

Info

Publication number: DE2825794C2
Application number: DE2825794A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr.rer.nat. 6071 Götzenhain Roy; Friedhelm Ing.(grad.) 6000 Frankfurt Sawitzki; Dieter Dr.Phil.Nat. 6055 Hausen Silber
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1978-06-13
Filing date: 1978-06-13
Publication date: 1986-03-20
Also published as: US4618781A; DE2825794A1

Description

basisschjcht 6 sind eine Vielzahl n+'Emitterschichten als Kathoden-Emitter 5 eingebettet, die von einem auf der Außenfläche der Steuerbasisschicht 6 angeordneten Steuerbasiskontakt 10 umgeben sind.

Auf die n+'Emitterschichten 5 ist je ein ohmscher Widerstand 3 und gegebenenfalls ein Bauelement 4 mit nichtlinearer Charakteristik angeordnet

Die ohmschen Widerstände 3 sind beispielsweise durch Polysilkiumschichten und die Elemente 4 durch eine hoch dotierte p-Epitaxieschicht auf den Kathoden-Emittern 5 gebildet, deren Durchbruchskennlinie die passende nichtlineare Charakteristik aufweist

Die Widerstände 3 sind je mit einem Kathoden-Emitterkontakt 9 versehen und diese sind parallel geschaltet und an den Kathodenanschlußkontakt 12 geführt Zwisehen den Kontakten 9, 10 ist ein Kurzschlußthyristor 14 vorgesehen, der über den Anschluß 17 zündbar ist

Die Einschaltung des Thyristors 100 kann über einen einzigen Teilthyristor 1' erfolgen, dessen Kathoden-Emitterkontakt 9 über eine Diode 15 an den Kathodenanschluß 12 geführt ist; die Zündung erfolgt mittels eines dem Anschluß 16 zugeführten negativoa Steuerstromimpuls. Die Zündung des Thyristors 100 kann auch über den Steuerbasiskontakt 10 erfolgen.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Thyristoren nach den F i g. la und b und 2a und b näher erläutert

Ist der Thyristor 1 nach F i g. la stromführend, so ergibt sich eine Elektroneninjektion vom Kathoden-Emitter 5 und eine Löcherinjektion vom p⁺-Emitter 8, wodurch ein Trägerplasma etwa im Bereich des Kathoden-Emitters 5 erzeugt wird, welches die StromfOhrung vermittelt

Soll der stromführende Thyristor 1 abgeschaltet werden, so muß dafür gesorgt werden, so viele aus dem ρ+-Emitter 8 kommende Löcher (Defektelektronen) über den Steuerbasiskontakt 10 abzuführen, daß eine ausreichende Potentialerhöhung der Steuerbasisschicht 6 nicht auftritt, so daß eine Elektroneninjektion aus dem Kathoden-Emitter 5 entfällt, wodurch auch eine Löcherinjektion entfällt

Im stromführenden Zustand des Thyristors 1 ist die Steuerbasisschicht 6 gegenüber dem Kathoden-Emitter 5 um etwa 0,5 bis 0,7 V positiv gepolt Wird nun der transversale Weg der Löcher zum Steuerbasiskontakt 10 so klein ausgebildet, daß das am wirksamen Querwidestand Rq der Steuerbasisschicht 6 auftretende Potential kleiner als das Potential des n⁺p-Übergangs 20 ist, so steht für die Abführung eines Laststromteils übsr den Steuerbasiskontakt 10 bereits eine treibende Spannung zur Verfügung, die ausreicht, um den Thyristor 1 abzuschalten, wenn nur dieser Laststromteil — entsprechend der Ausschaltverstärkung des Thyristors — ausreichend groß ist

Der Flächenwiderstand p_s der p-Steuerbasisschicht 6 der Thyristoren 1, 100 nach den Fi g. la und b und ,2a und b beträgt etwa 80 Ω/D und deren Emitter haben einen Durchmesser von etwa 200 μηι; der Innendurchmesser der Löcher der Gate-Kontaktierang beträgt etwa 250 μπι.

Die maximale Spannung u_max, die zwischen dem Zentrum der Steuerbasisschicht 6 und der Berandung des Stcuerbasiskontakts 10 auftritt, ist etwa proportional dem Flächenwiderstand p_s:

Daraus ergibt sich -j-^- ■ J - 80 Ω = / · 6,4 Ω; das bedeutet daß dem zum Steuerbasiskontakt 10 fließenden Strom ein Querwiderstand Rq von etwa 6,4 Ω zugeordnet wird. Aus Toleranzgründen kommt noch ein Zusatzwiderstand in der Steuerbasisschicht 6 von beispielsweise 2 Ω dazu. Bei einem vorgeschalteten Widerstand 3 von etwa 5 Ω wird ein Ausschaltstrom von >l/3 des Gesamtstroms erreicht und somit eine sichere Abschaltung des Thyristors. Es ist vorausgesetzt daß dieser Thyristor eine Ausschaltyerstärkung von <3 hat; bei größeren Ausschaltverstärkungen sind entsprechend kleinere abgezweigte Laststromanteile ausreichend.

Wird ein Widerstand 3 von 5 Ω verwendet und soll die Durchlaßspannung in Grenzen bleiben, so muß auch die Strombelastung klein bleiben. Bei homogener Stromführung sind 0,4 V Durchlaßspannung erträglich, so daß sich ergibt:

/_Λοη,·5Ω<0,4ν,
daraus folgt

hom ί 0,4 V/5 Ω = 0,08 A = 80 mA.

Bei einer Strombelastung von etwa 100 A/cm² ergibt dies eine Fläche des Kathoden-Emitters 5

cm² = 0,08 mm²,

woraus sich ein maximaler Radius R von etwa 160 μπι und ein maximaler Durchmesser von 320 um ergibt

Bei höheren Lastströmen werden entsprechend viel Teilthyristoren 1' nach Flg.2a und b parallelgeschaltet unter Beibehaltung des 5-Ω-Widerstandes 3 für jeden Teilthyristor 1', wobei diese Widerstände auch eine Stromhomogenisierung bewirken. Durch die Parallelschaltung der vielen Widerstände 3 ergibt sich ein sehr geringer Gesamtwiderstand, so daß die Durchlaßverluste Jes Thyristors 100 klein gehalten sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 .

•⁼ TU ^J ■ *·

Löcherstrom,

Geometriefaktor für eine Kreisfläche.

65

Claims

1 2 Gegenüber dem bekannten Thyristor wird bei dem Patentansprüche: erftndungsgemäßen Thyristor zur Emitter-Basis-Durch- laßspannung noch die Durchlaßspannung des verwen-

1. Abschaltbarer Thyristor mit mindestens vier deten Widerstandes und/oder des Elementes mit nichtli-Schichten unterschiedlichen Leitungstyps, bei dem 5 nearer Charakteristik als treibende Spannung hinzuaddie Abschaltung durch Heranziehung der Emitter- diert, wodurch der Ausschaltstrom entsprechend erhöht Basis-Durchlaßspannung als den negativen Steuer- wird, so daß das Ausschaltverhalten auch bei hohen ausstrom treibende Spannung erfolgt, dadurch ge- zuschaltenden Lastströmen verbessert wird Ein weitekennzeichnet, daß dem Kathoden-Emitter (5) rer Vorteil besteht darin, daß weder ein externer negatiein Widerstand (3) und/oder ein Element mit nichtii- io ver Abschaltstrom noch eine externe negative Abnearer Charakteristik (4) vorgeschaltet ist und daß schaltspannung benötigt werden und somit jede besonzwischen dem Kathoden-Emitterkontakt (9) und dere Energiequelle für die Abschaltung entfällt Weiterdem Steuerbasiskontakt (10) ein Schaltelement (14) bildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu zum Kurzschließen angeordnet ist entnehmen. Dabei besteht auch schon bei dem bekann-

2. Thyristor nach Anspruch 1, bei welchem die 15 tan Thyristor die Emitterschicht aus einer Vielzahl insel-Emitterschicht aus einer Vielzahl inselartiger, von artiger, von einer gemeinsamen Steuerbasisschicht umeiner gemeinsamen Steuerbasisschicht umgebener gebenen Teilemitter. Der Laststrom des Tbjrristors kann Teilemitter besteht dadurch gekennzeichnet, daß je- beispielsweise mittels eines weiteren Thyristors abgedem Teilemitter ein Widerstand (3) und/oder ein schaltet werden, an den nur geringe Anforderungen beElement mit nichtlinearer Charakteristik (4) vorge- 20 züglich der Spannungs- und Stromfestigkeit gestellt schaltet ist werden und der nur eine geringe Steuerieistung benö-

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- tigt

zeichnet, daß das zum Kurzschließen dienende Das Wesen der Erfindung soll anhand d*r Zeichnun-

Schaltelement ein Thyristor (14) ist welcher unter gen näher erläutert werden. Es zeigt

Heranziehung der an dem vorgeschalteten Wider- 25 Fig. la einen Thyristor mit einem vorgeschalteten

stand (3) und/oder an dem vorgeschalteten Element Widerstand,

mit nichtlinearer Charakteristik (4) auftretenden Fig. Ib einen Thyristor mit einem zusätzlich vorge-

Spannung betrieben ist schalteten Element mit nichtlinearer Charakteristik,

F i g. 2a die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer wei-

30 teren Ausbildung des, Thyristors,

F i g. 2b den Schnitt A-A 'in F i g. 2a.
Der Thyristor 1 nach F i g. la, Ib weist eine p+-Emit-

Die Erfindung betrifft einen abschaltbaren Thyristor terschicht 8, eine metallische Kontaktierung 11 und eimit mindestens vier Schichten unterschiedlichen Lei- nen Anodenanschluß 13 auf. An die p⁺-Em>tterschicht 8 tungstyps, bei dem die Abschaltung durch Heranzie- 35 schließt sich eine n-Hauptbasisschicht 7 an, der eine hung aer Eiüitter-Basis-Disrchlaßspannung als den ne- p-Steuerbasisschicht 6 folgt, in die eine n⁺-Emittergativen Steuerstrom treibende Spannung erfolgt schicht als Kathoden-Emitter 5 eingebettet ist Auf der Abschaltbare Thyristoren werden mittels eines über Außenfläche der Steuerbasisschicht 6 ist ein die den Steuerbasisanschluß fließenden negativen Steuer- n+-Emitterschicht 5 umgebender Steucrbaüiskontakt 10 Stroms abgeschaltet Um den Thyristor sicher zu lö- 40 angeordnet Die n+-Emitterschicht 5 ist mit einer metalschen, muß der Steuerstrom etwa 20 bis 30% des auszu- tischen Kontaktierung als Kathoden-Emitterkontakt 9 schaltenden Laststroms betragen, wobei eine Abschalt versehen, die einen Kathodenanschluß 12 aufweist. Zwispannung von — 10 V bis — 70 V erforderlich ist Für die sehen dem Kathoden-Emitterkontakt 9 und dem Steuer-Abschaltung des Thyristors ist somit ein von einem Lei- basiskontakt 10 ist ein Schaltelement 14 angeordnet,
stungskreis gespeister Steuerstromgenerator mit einem 45 Zum Verständnis der Wirkungsweise ist ein Querwi-Lastschalter erforderlich, der einen beträchtlichen tech- demand Rq der Steuerbasisschicht 6 eingezeichnet, der nischen Aufwand darstellt von einem Strom i'q durchflossen wird. Der Querwider-Bei dem eingangs definierten, aus der DE-OS stand Rq wird nach dam zur Abschaltung des Thyristors 26 25 917 bekannten Thyristor ist ein Feldeffektransi- erforderlichen Strom bemessen. Mit 20 ist der n⁺pstor integriert, der den Kathoden-Emitterübergang des 50 Übergang der Schichten 5,6 bezeichnet
Thyristors überbrückt, wodurch dieser abgeschaltet Das Schaltelement 14 kann aus einem Kurzschlußthywerden kann. Dabei dient lediglich die Emitter-Basis- risior 14 bestehen, mit dem die Abschaltung des Thyri-Durchlaßspannung als treibende Spannung für den ne- stors 1 erfolgt Da dieser Kurzschlußthyristor 14 eine gativen Steuerstrom. Ferner können über den Feldef- Durchlaßspannung aufweist, wird mittels eines der fekttransistor nur relativ kleine Ströme geführt und da- 55 n+-Emitterschicht 5 vorgelagerten ohmschen Widermit nur relativ geringe Lastströme abgeschaltet werden. Standes 3 eine Zusatzspannung erzeugt (F i g. 1 a). Nach Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ab- Fig. Ib kann zusätzlich ein Bauelement 4 mit nichtlischaltbaren Thyristor für sehr große Ausschaltströme nearer Charakteristik verwendet werden,
und entsprechender niedriger Ausschaltverstärkung Um eine Leistungssteigerung zu erzielen, ist nach verfügbar zu machen, der zur Abschaltung nur eine ge- eo Fig, 2a und b eine Vielzahl von Thyristoren 1 nach ringe Steuerleistung erfordert und bei dem die den ne- Fig. Ib zu einem aus Teilthyristoren Γ bestehenden gativen Steuerstrom treibende Spannung vergrößert ist. abschaltbaren Thyristor 100 zusammengefaßt, wobei

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Thy- die Teilthyristoren 1' parallel betrieben werden,

ristor dadurch gelöst, daß dem Kathoden-Emitter ein Der Thyristor 100 nach der F i g. 2b umfaDt eine

Widerstand und/oder ein Element mit nich;!iiv?2ier 65 p+'Emitterschicht 8 mit einer Metallisierung 11, die mit

Charakteristik vorgeschaltet ist und daß zwischen dem einem Anodenkontakt 13 versehen ist. Der p+-Emitter-

Kathoden-Emitterkontakt und dem Steuerbasiskontakt schicht 8 folgt eine n-Hauptbasisschicht 7, an die sich

ein Schaltelement zum Kurzschließen angeordnet ist. eine p-Steuerbasisschicht 6 anschließt; in diese Steuer-